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Comment une périodicité de surface peut ouvrir un gap dans le graphène


Les semiconducteurs sont la base de l’électronique, car leur band interdite (gap) est cruciale pour le control du flux de courant dans les dispositifs, dont l’absence ou présence définit les états logiques. Un cousin du graphène (la « buffer layer ») présente précisément cette propriété très recherchée dans le graphène, la bande interdite. Ce dérivé du graphène a la même structure atomique en nid d’abeille du graphène, mais il est périodiquement attaché au substrat de SiC. Dans une collaboration entre le LPS, SOLEIL et GeorgiaTech, nous avons démontré que la bande interdite apparaît à cause de la liaison périodique de la buffer layer au substrat.

Lorsque le Si du SiC est sublimé par un recuit à haute température, l’excès de carbone de la surface peut se réorganiser en graphène. Néanmoins, avant que la première couche de graphène croisse, une première couche de structure semblable à celle du graphène, avec les atomes disposés selon une structure en nid d’abeille, apparaît. Cette couche atomique est connue comme « buffer layer » et elle possède une bande interdite plus grande que 500 meV [1,2 & références]. La cause de cette bande interdite n’était pas claire. Il avait été proposé que la raison pourrait être la liaison covalente de la « buffer layer » avec le substrat. Néanmoins, la liaison covalente de tout le substrat semblait incompatible avec le découplage de la « buffer layer » par intercalation d’hydrogène. Motivés par cette controverse, nous avons effectué des études complémentaires de photoémission, microscopie à effet tunnel (STM), microscopie électronique à transmission à haute résolution et des calculs ab-initio pour mieux comprendre le système. Nous avons démontré que la périodicité de surface observé dans les images STM est associé uniquement à une liaison covalente locale, et non globale, de la « buffer layer » avec le substrat. Cette évidence couplée à une analyse précise des symétries et des repliements des bandes expérimentales et théoriques, nous ont permis de conclure que la bande interdite est ouverte grâce à la périodicité nanométrique.

[1] M. S. Nevius, M. Conrad, F. Wang, A. Celis, M. N. Nair, A. Taleb-Ibrahimi, A. Tejeda, and E. H. Conrad. Physical Review Letters 115, 136802 (2015) [2] A. Lanzara, Physics 8, 91 (2015).

Références

Wide Band Gap Semiconductor from a Hidden 2D Incommensurate Graphene Phase
M. Conrad, F. Wang, M. Nevius, K. Jinkins, A. Celis, M. Narayanan Nair, A. Taleb-Ibrahimi, A. Tejeda, Y. Garreau, A. Vlad, A. Coati, P. F. Miceli, and E. H. Conrad
Nano Letters 17, 341 (2017).
doi:10.1021/acs.nanolett.6b04196

Band Gap Opening Induced by the Structural Periodicity in Epitaxial Graphene Buffer Layer
M. N. Nair, I. Palacio, A. Celis, A. Zobelli, A. Gloter, S. Kubsky, J.-P. Turmaud, M. Conrad, C. Berger, W. de Heer, E. H. Conrad, A. Taleb-Ibrahimi, and A. Tejeda
Nano Letters 17, 2681 (2017).
doi:10.1021/acs.nanolett.7b00509

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Antonio Tejeda